1、5.15.1机械加工精度及误差影响因素机械加工精度及误差影响因素 5.2机械加工表面质量机械加工表面质量 思考与练习题思考与练习题 第第5章机械加工质量章机械加工质量5.15.1机械加工精度及误差影响因素机械加工精度及误差影响因素5.1.15.1.1加工精度与误差概述加工精度与误差概述1.1.机械加工精度的概念机械加工精度的概念机械加工精度(简称加工精度)是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的符合程度。它们之间的偏离程度即为加工误差。加工误差越大,则加工精度越低,反之越高。机械加工中是用控制加工误差来保证零件的加工精度的。加工精度包括零件的几何形状精度、尺寸精度、相互位置精度。2.2.影
2、响加工精度的原始误差影响加工精度的原始误差机械加工时,机床、刀具、夹具和工件等组成的工艺系统的各个部分在加工过程中,应该保持严格的相对位置关系。由于受到许多因素的影响,系统的各个环节难免会产生一定的偏移,使工件和刀具间相对位置的准确性受到影响,从而引起加工误差。原始误差即导致工艺系统各环节产生偏移的这些因素的总称。原始误差中,有的取决于工艺系统的初始状态,有的与切削过程有关。图51原始误差与加工误差的关系 如图51所示,车外圆时,当原始误差使刀具相对于工件沿径向偏移一个时,就会使工件直径产生一个2的加工误差。如果原始误差使刀具相对于工件沿切向偏移一个,则工件直径的加工误差为 RRRRRRR22
3、22222222(51)由式(51)可以看出,直径误差与相对位移量相比是高阶小量,一般可忽略不计。通过分析可知,其他方向的原始误差对加工精度的影响情况介于上述两种情况之间。即当原始误差的方向发生在加工表面法线方向时,引起的加工误差最大;当原始误差的方向发生在加工表面的切线方向时,引起的加工误差最小,一般可以忽略不计。1)与工艺系统初始状态有关的主要原始误差(1)原理误差:加工原理上存在的误差。(2)工艺系统几何误差:主要包括机床、刀具、夹具的制造误差和磨损,系统调整误差,工件定位误差和夹具、刀具安装误差等。实际上,切削加工中的原理误差也属于几何误差,只是因为其原因特别,所以予以区分。2)与切削
4、过程有关的主要原始误差(1)工艺系统力效应产生的变形:包括系统受力变形,工件内应力变形等。(2)工艺系统热效应产生的变形:在系统工作中出现的热源的影响下引起的变形。此外,环境的温度条件,测量方法和工人的技术水平等,也对加工精度有影响。5.1.25.1.2工艺系统几何误差的影响工艺系统几何误差的影响1.1.加工原理误差加工原理误差(理论误差理论误差)原理误差即是在加工中由于采用近似的加工运动、近似的刀具轮廓和近似的加工方法而产生的原始误差。完全符合理论要求的加工方法,有时很难实现,甚至是不可能的。这种情况下,只要能满足零件的精度要求,就可以采用近似的方法进行加工。这样能够使加工难度大为降低,有利
5、于提高生产效率,降低成本。例如,常用的齿轮滚刀就有两种原理误差:一是近似造形原理误差,即由于制造上的困难,采用阿基米德蜗杆或法向直廓基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆;二是由于滚刀必须是具有有限的前后刀面和切削刃才能滚切齿轮,而不是连续的蜗杆。滚切的齿轮齿形实际上是一根折线,和理论上光滑的渐开线有差异。这两种蜗杆的螺旋面在成形原理上与渐开线蜗杆存在着差异,所以,滚齿是一种近似的加工方法。又如模数蜗杆的螺距为m(m为与之啮合的蜗轮的模数),车削加工时,由于是无理数,无法精确选配挂轮齿数,只能用近似于的分数值来计算挂轮,从而产生了原理误差。这一原理误差使得成形运动不准确,造成螺距误差。2.2.工艺系统制造
6、误差工艺系统制造误差对加工精度起主要影响作用的工艺系统制造误差包括主轴回转误差、导轨导向误差、传动链误差、刀具误差、定位误差等。1)主轴回转误差主轴回转轴线的误差运动,可分为三种基本形式:(1)轴向串动:瞬时回转轴线沿平均回转轴线方向的漂移运动(见图52(a)。它主要影响所加工工件的端面形状精度而不影响圆柱面的形状精度,见图53。在加工螺纹时则影响螺距精度。(2)径向跳动:瞬时回转轴线始终平行于平均回转轴线,但沿径向方向有漂移运动(见图52(b),因此在不同横截面内,轴心的误差运动轨迹都是相同的。径向漂移运动对加工精度的影响要看加工的具体情况而定,如图54所示,在车削加工中对工件圆柱面的形状精
7、度无影响,而在镗床上镗孔时则对孔的形状精度有影响,如图55所示。图52主轴回转轴线误差运动类别 图53主轴轴向串动对端面加工 图54车削时几何偏心引起的径向圆跳动的影响对圆度的影响 图55镗孔时主轴几何偏心引起的径向圆跳动对孔的圆度的影响 coscosRAysinRz 对两式平方后相加,则得:2222RzARy 这是一个长半轴为(R+A)、短半轴为R的椭圆方程,它代表孔横截面形状,由方程知道,孔存在大小为2A的圆度误差。(3)纯角向摆动:瞬时回转轴线与平均回转轴线成一倾斜角,但其交点位置固定不变的漂移运动(见图52(c)。因此,在不同横截面内,轴心的误差运动轨迹是相似的。纯角度摆动主要影响所加
8、工工件圆柱面的形状精度,同时对端面的形状精度也有影响。实际上,主轴工作时其回转轴线的漂移运动总是上述三种误差运动的合成。故不同横截面内轴心的误差运动轨迹既不相同,又不相似；既影响所加工工件圆柱面的形状精度,又影响端面的形状精度。主轴回转轴线漂移的原因主要是:轴承的误差、轴承间隙、与轴承配合零件的误差及主轴系统工作时的受力变形和热变形以及回转过程多方面的动态因素。提高主轴回转精度的途径:通过上面分析可知,主轴回转误差对加工精度有显著影响。为了提高主轴回转精度,不但要根据机床精度要求选择相应精度等级的轴承,还需要恰当确定支承轴颈、支承座孔等有关零件的精度及其与轴承的配合精度,并严格保证装配质量要求
9、。只有这样才能获得高的回转精度。2)机床导轨误差在各类机床上进行机械加工时一般都需要机床的某些运动部件完成直线运动。该运动大多作为加工中的进给运动,加工中进给运动的精度高低直接关系到加工精度的好坏。机床导轨副是实现直线运动的主要导向部件,其制造、装配精度和使用中的磨损程度是影响直线运动精度的主要因素。现以水平设置的导轨结构为例,说明机床导轨误差的形式及其影响。(1)导轨在水平面内的直线度误差:如图56所示,导轨如果存在水平方向的直线度误差,则导轨上的移动部件沿导轨直线移动时,将在水平方向偏离理想位置。对于在卧式车床、外圆磨床上加工外圆来讲,这是加工误差的敏感方向,在工件的半径上造成等量的误差;
10、对于在铣床、刨床上加工垂直面来说,它也是敏感方向。但如果是在平面磨床上磨削水平面或在铣床、刨床上加工水平面,则该方向是误差的非敏感方向,该误差对加工精度的影响可忽略不计。图56导轨在水平面内的直线度误差(2)导轨在垂直平面内的直线度误差:导轨在磨损后都会出现这种情况。移动部件沿导轨移动时,在垂直方向上偏离理想位置。如图57所示。这对于车、磨床加工外圆时,为误差非敏感方向;而对于铣、刨、磨水平面的加工,却是误差的敏感方向,该误差会对加工造成很大影响。图57导轨在垂直平面内的直线度误差(3)导轨面间的平行度误差:如图58所示,是车床床身的两条平行导轨,其平行度误差(扭曲)是指导轨在水平方向的倾斜,
11、且两导轨面不一致。在某一截面上就出现了图示的状况:床鞍产生后仰(或前倾),使刀具偏离理想位置。由几何关系可知,y=H/B。图58机床导轨面的平行度误差 3)机床传动链误差 在对传动比有严格要求的内联系传动链中，传动链的误差都是加工误差的敏感方向。传动链误差主要是由于传动链中各传动元件如齿轮、蜗轮、蜗杆、丝杠、螺母等的制造误差、装配误差和磨损等所致，一般可用传动链末端元件的转角误差来衡量。由于传动链常由数个传动副组成，传动链误差是各传动副传动误差累积的结果。而各传动元件在传动链中的位置不同，其影响程度也不一样。在一对齿轮的啮合过程中，假如主动轮 Z1存在l的转角误差，传到被动轮Z2就变为2，而2
12、112/ZZ。由此可见，如果传动链是升速传动，则传动元件的转角误差被扩大；反之，则转角误差被缩小。机床的传动系统较多采用降速传动，因此其末端元件的误差对加工精度的影响最大，精度要求应最高。4)刀具误差一般刀具(如普通车刀、单刃镗刀和铣平面的铣刀等)的制造误差不直接影响加工精度,但在加工时,其切削过程中的磨损将造成一定的加工误差。例如,车削长轴时,由于刀具的磨损,工件的纵剖面将出现锥度。为了减小刀具磨损对加工精度的影响,应根据工件的材料和加工要求,合理选择刀具材料、切削用量和冷却润滑方法。用定尺寸刀具(如钻头、绞刀、拉刀等)加工时,刀具的制造误差和使用过程中的磨损都将直接影响工件的尺寸精度,刀具
13、安装不正确也会影响工件的尺寸精度。用成形刀具加工时,刀具的形状误差将直接影响工件的形状精度,用刀具对工件表面进行展成加工时,刀具的切削刃形状及有关尺寸和技术条件也会直接影响工件的加工精度。另外这类刀具使用过程中的磨损都会造成加工误差。5)夹具误差夹具误差主要是指由于定位元件、刀具导向装置、分度机构以及夹具的零、部件的制造误差,引起定位元件工作面间、导向元件间、定位工作面与对刀面或导向元件工作面以及定位工作面与夹具在机床上的定位面间等的尺寸误差和相互位置误差。夹具误差将直接影响加工表面的位置精度或尺寸精度。例如平面定位时支承钉的等高性误差将直接影响加工表面的位置精度;各钻模套间的尺寸误差和平行度
14、(或垂直度)误差将直接影响所加工孔系的尺寸精度和位置精度。6)定位误差和调整误差工件与刀具、夹具夹装在机床上或工件装在夹具上,均应保证它们之间一定的相互位置关系,但由于定位、调整不可避免地存在误差,影响它们之间的相互位置关系,因而影响工件的加工精度。零件加工的每一个工序中,为了获得被加工表面的形状、尺寸和位置精度,必须对机床、夹具和刀具进行调整,以确保它们之间的相互位置关系正确。任何调整工作必然会带来一些误差,使它们之间的位置关系偏离理想状态。这种由于调整而产生的误差即为调整误差。5.1.35.1.3工艺系统受力变形的影响工艺系统受力变形的影响1.1.工艺系统的刚度工艺系统的刚度刚度是物体抵抗
15、使其变形的作用力的能力,是作用力与其引起的在作用力方向上的变形量的比值。工艺系统受力位移产生的加工误差,主要决定于系统本身的刚度。(1)接触面刚度差。由于配合零件表面具有宏观的形状误差和微观的粗糙度,因此,实际接触面积只是理论接触面积的一小部分,真正处于接触状态的只是个别凸峰(见图59)。所以,接触表面随外力作用的增加,将产生弹性和塑性变形,使接触面相互靠近,即产生相对位移。这就是部件刚度远比实体零件刚度低的原因。图59连接面之间的接触情况(2)系统中的薄弱零件,受力后极易产生较大的变形。(3)接触面之间的摩擦力,在加载时会阻止变形的增加,卸载时又会阻止变形的恢复。(4)有的接触面存在间隙和润
16、滑油膜。因此,一个部件受力位移的大致过程首先是消除各有关配合零件之间的间隙和挤掉其间的油膜的变形,接着主要是部件中薄弱环节零件的变形,最后则是其他组成零件本身的弹性变形和相互连接面的弹性变形和塑性变形参加进来。从一个部件受力位移和每个零件变形的关系来看,凡是外力能传达到的每个环节,都有不同程度的变形汇总到部件或整个工艺系统的总位移中去。因此,工艺系统在受力情况下的总位移量y系统是各组成部分变形和位移的叠加,即 这就是说,知道了工艺系统各组成环节的刚度以后,工艺系统刚度即可求出。各组成环节中,工件和刀具受力变形的情况及其刚度,按照不同的安装方法,根据材料力学的理论可以直接计算出来,这里不再重复。
17、y系统=y机床+y夹具+y刀具+y工件 2.2.工艺系统刚度对零件加工精度的影响工艺系统刚度对零件加工精度的影响1)切削力位置的影响工艺系统因受力点位置的变化,其位移量也随之变化,因而造成工件的形状误差。例如,在车床两顶尖上车外圆。设工件刚度很大,在切削力Fy作用下的变形可以忽略不计,则工艺系统的总位移取决于机床的头座、尾座和刀架的位移。图510所示为刀具距离前顶尖x时,工艺系统的变形情况。图510工艺系统的位移随推力点位置变化的情况 由图可知,离前顶尖x处系统的总位移为 y系统=y刀架+yx 由上式可知,工艺系统的刚度随进给位置x的改变而改变;刚度大则位移小,刚度小则位移大。由于工艺系统的位
18、移量是x的二次函数,故车成的工件母线不是直线,而是两头大、中间小,呈鞍形。若假设工件细长、刚度很低,机床、夹具、刀具在切削推力作用下的位移可以忽略不计,则工艺系统的位移完全等于工件的变形量,如图511所示。按材料力学的计算公式,在切削点x处的工件变形量为 lxxlEIFyy223工件(N/mm)式中:E弹性模量;I惯性矩。图511工件刚度差时位移量随力点变化（2）切削力大小变化对零件加工精度的影响误差复映规律 当工艺系统刚度不变时，若毛坯加工余量和材料硬度不均匀，则会引起切削力 Fy不断变化。切削层厚(或硬度大)的地方推力大、位移也大；切削层薄(或硬度小)的地方推力小、位移也小。这种位移量的变
19、化就使毛坯(或上道工序)的误差反映在加工后的工件上的这种现象，在车、铣、刨、磨等各种机械加工中都存在，称为误差复映规律。例如，车削一个有椭圆形误差的毛坯(图 5-12)。工作时，在工件一转范围，刀具切削深度不同，引起的位移量也不同，这就使毛坯的圆度误差复映到工件的已加工表面上。令，毛坯工件，式中(1)，称为误差复映系数。图5-12 毛坯形状误差的复映 上式说明,毛坯(或上道工序)的误差要复映到加工后的工件上,复映到工件上的误差总是小于毛坯(或上道工序)的误差;误差复映系数的大小反映误差复映的程度。当第一次走刀后,工件误差仍然大于图纸的要求时,可进行第二次、第三次以至若干次走刀。由于各次走刀后的
20、工件误差为 毛坯工件11 工件工件221 233工件工件 1nnn工件工件 所以，最后一次走刀的工件误差为 总=毛坯 式中各次走刀的误差复映系数 l、2、3n。都小于 1，故多次走刀后的总误差复映系数总=毛坯将会降到很小的数值，最后总可以使工件的误差降低到图纸要求的公差范围以内。由公式可知，进给量 f 越小，则 越小。所以，粗车、半精车、精车的误差复映系数依次递减，且加工误差的下降越往后越快；工艺系统的刚度 k系统越大，则 越小，误差复映也越小。例如一般车削加工，由于 k系统越小，则误差复映系数 越大，工件上误差复映就明显。例如镗孔时刀杆较细，磨孔时磨杆较细，车丝杠时工件细长，由于系统刚度差，
21、故误差复映明显，这就需要经过多次走刀，才能把毛坯带来的误差消除到符合要求的程度。3)传动力、惯性力、重力和夹紧力的影响这些力产生变化将会引起工艺系统某些环节受力变形发生变化,从而造成加工误差。分述如下:(1)由于传动力变化而引起的加工误差。例如,用单爪拨盘带动工件时,传动力Fa在拨盘的每一转中不断改变方向,有时与切削力Fy方向相同,有时则相反(见图513)。因而引起工艺系统有关环节受力变形(主要有前顶尖),使工件产生圆度误差。这种误差可采用双拨爪拨盘来消除。图513单爪拨盘传动对工件形状误差的影响(2)由于惯性力变化而引起的误差。高速切削时,若工件不平衡,会产生较大的离心力。此离心力在工件每转
22、中不断改变方向,有时与推力Fy同向,有时则反向。图514(a)表示离心力Q正好与推力Fy反向,把工件推向刀具,增加了实际切深;图514(b)表示力Q正好与Fy同向,把工件推离刀具,减少了实际切深,结果工件产生圆度误差。图514离心力对加工误差的影响(3)由夹紧力引起的误差。工件刚度较差时,若夹紧方法不当,常引起零件加工后的形状误差。例如用三爪卡盘夹持薄壁套筒镗孔(见图515),图中1为工件,2为工件夹紧后内、外圆变形成三棱圆,3为镗孔成正圆,4为松开卡爪后工件因弹性复原孔又变成三棱圆。图515薄壁套筒的装夹变形(4)重力对零件加工精度的影响。如图516所示的龙门铣床,其横梁在两个铣头重力的作用
23、下,随横向进给使横梁受力变形不断改变的情况,因而严重影响了加工表面的形状精度。再如细长工件在自重作用下会产生弯曲变形,影响加工精度。图516龙门铣床部件在重力作用下的变形 3.3.减少工艺系统受力变形的途径减少工艺系统受力变形的途径根据生产经验,减少工艺系统受力变形的途径可归纳为以下几个方面:(1)提高配合面的接触刚度。由于部件的刚度大大低于相同外形尺寸的实体零件的刚度,因此提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。提高各零件结合表面的几何形状精度和降低接触表面粗糙度就能提高接触刚度。提高机床导轨面的刮研质量,提高顶尖锥体与主轴和尾座锥孔的接触质量,多次修研工件中心孔等,都是实际生产中为提高接触刚
24、度经常采用的工艺措施。生产实践证明,合理调整和使用机床可以增加接触刚度。如正确调整镶条和使用锁紧机构,便可取得良好效果。(2)设置辅助支承或减少悬伸长度以提高工件刚度。例如车细长轴时采用中心架和跟刀架;工件在卡盘上悬伸太长时可加后顶尖支承;用卡盘安装工件时尽量减少外伸长度等等。(3)提高刀具刚度。欲提高刀具刚度,可在刀具材料、结构和热处理方面采取措施。例如采用硬质合金刀片和淬硬刀杆以增加刚度，可能时增加刀具外形尺寸也很有效。(4)采用合理的安装方法和加工方法。例如在卧式铣床上铣一角形零件的端面,用图517(a)所示的方法,会使工艺系统的刚度较差。如果将工件倒放,改用端铣刀加工(见图517(b)
25、,则工艺系统刚度会提高。图517铣角形零件的两种安装方法 5.1.45.1.4工艺系统热变形的影响工艺系统热变形的影响工艺系统受热后,会使各部分温度上升,产生变形,即工件体积增加。如直径为50mm的工件,温度上升5后直径将增加35m,这样会使切削深度加大,改变刀具尺寸,且使工艺系统各组成部分之间的相对位置遭到改变,同时也破坏了刀具与工件相对运动的准确性。因此,工艺系统的热变形会引起加工误差。据统计,在精密加工中,由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的4070。热变形不仅严重地降低了加工精度,而且还会影响生产效率。这是因为,为了避免热变形的影响,往往在工作前要使机床空转或在工作过程中进行调整,
26、这就要浪费许多工时;有时由于机床局部温升过高,还不得不暂停工作。1.1.引起工艺系统变形的热源引起工艺系统变形的热源引起工艺系统热变形的热源有两大类:一是内热源,包括运动摩擦热和切削热;二是外热源,包括环境温度和辐射热。(1)运动摩擦热。机床的各种运动副,如轴与轴承、齿轮与齿轮、溜板与导轨、丝杠与螺母、摩擦离合器等,它们在相对运动中将产生一定程度的摩擦并转化为摩擦热。动力能源的能量消耗也有部分转化为热能,如电动机、油马达、液压系统和冷却系统等工作时所产生的热。(2)切削热。车削时,大量切削热被切屑带走,切削速度越高,切屑带走的热量占总切削热的百分比越大,传给工件的热量只占切削热的1030,传给
27、刀具的热量不大于5。铣、刨加工时,传给工件的热量一般在30以下。钻、镗孔时,大量切屑留在孔内,故传给工件的热量约占50以上。而磨削时,84的热量传给工件,磨削区温度有时高达8001000。(3)环境温度的影响。周围环境温度随四季气温和昼夜温度的变化而变化,局部室温差、热风、冷风、空气对流,都会使工艺系统的温度发生变化。(4)辐射热。靠近窗口的机床,常单面或局部受阳光辐射,靠近采暖设备的机床,也是单面或局部受热,于是直接受辐射的部分和未受辐射的部分出现温差,从而导致机床变形。照明灯和人体热量的辐射,在精密加工的恒温工房里也是不可忽视的。2.2.机床热变形及其对加工精度的影响机床热变形及其对加工精
28、度的影响机床质量大,受热后一般温度上升缓慢,且温升不高。但由于热量分布不均匀和结构复杂,造成机床各部分的温度也不均匀,即有较大的温差出现。因而机床各部分的变形出现差异,使零部件之间的相对位置发生变化,丧失了机床原有的精度。故机床上出现温差是造成机床热变形、产生加工误差的主要原因。例如,C620-1型车床,主轴在16.8下,以n=1200rmin的转速运转6小时,实际测得的温度升高值的分布情况如图518所示。从图中可以看出:由于热源来自主轴箱,床身左面温度高于右面,床面温度高于床脚,特别是床面与床脚温差很大(14),这就导致床面膨胀量远大于床脚膨胀量,左面膨胀大于右面膨胀,因而床面凸起,使主轴轴
29、线位置由a变到b。由于主轴箱温度高,膨胀变形后使主轴轴线由b上升到c。前轴承比后轴承温度高9,故前轴承变形升高量大于后轴承升高量,致使主轴进一步倾斜。图518C620-1型车床的温度分布及其热变形 一般机床受热升温的过程是:开始工作时温度逐渐上升,经过一段时间后温度接近一个稳定值,此时热量的传入和传出达到平衡,温度不再随时间变化,这种现象称为热平衡。当机床停车后,各点温度将以更为缓慢的速度逐渐下降。与加热阶段一样,冷却过程的温度也是不稳定的,因而变形也是不稳定的。3.3.刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形的主要热源是切削热。虽然切削热传入刀具的比重很小,但刀具体积小
30、,热容量小,因而具有较高温度,并会因热伸长造成加工误差。一般情况下刀具工作是间断的(特别是铣刀),有短暂的冷却时间,因而对加工精度影响很小。在加工大型零件时,例如车长轴或在立车上加工大直径的平面,由于刀具在长时间的切削过程中逐渐膨胀,往往造成几何形状误差,前者造成锥形误差,后者造成平面度误差。但由于刀具的磨损能互相补偿一些,故对加工精度的影响有时也不甚显著。对于定尺寸刀具和成形刀具,一般都在充分冷却下工作,故热变形不大。但冷却不充分时则会影响零件的尺寸和形状精度。在采用定距切削法加工一批零件时,开始一段时间加工的零件尺寸有变化(外圆直径逐渐减少,内孔直径逐渐增大),当刀具达到热平衡后,工件尺寸
31、就只在微小范围内变动。综上所述,通常刀具热变形对加工精度影响不大。4.4.工件热变形对加工精度的影响工件热变形对加工精度的影响在切削加工过程中,工件主要受切削热的影响产生变形。若在工件热膨胀的条件下达到了规定尺寸,则冷却收缩后尺寸将变小,甚至超差。工件热变形有两种情况:一种是比较均匀的受热,如车、镗、圆磨等加工方法;一种是不均匀的受热,如平面的刨、铣、磨加工。对于均匀受热的工件,一般情况下它主要影响尺寸精度。例如,磨精密丝杠时,工件受热伸长,磨完后冷却收缩就会出现螺距累积误差。据研究,被磨丝杠因热升温,若与机床母丝杠出现1温差时,400mm长的丝杠要出现4.4m的螺距累积误差。而旧5级精度的丝
32、杠、400mm内螺距累积误差的公差为6.5m,显然这种热变形造成的误差不可忽视。对于不均匀受热的工件,如磨平面,工件单面受热,上下表面形成温差而变形,从而影响工件的几何形状精度。图519床身磨削时的热变形 5.5.控制热变形的主要途径控制热变形的主要途径(1)隔热和减少热量的产生。由于内热源是影响机床热变形的主要热源,因此,凡是可以从主机分离出去的热源,如电机、变速箱、液压装置和油箱等,应尽可能放置在机床外部。对不能分离出去的热源,如主轴轴承、丝杠副、摩擦离合器和高速运动导轨等,则可采取隔热、改进结构和加强润滑等方法。图520座标镗床的隔热装置(2)强制冷却控制温升。要完全消除内热源发出的热量
33、是不可能的,为此可采取强制冷却的办法。例如数控机床普遍采用冷冻机对润滑油进行强制冷却。机床内的润滑油被当作冷却剂使用,将主轴轴承和齿轮箱中产生的热由润滑油吸收带走。又例如在S7450型螺纹磨床上,为了保证被磨丝杠温度稳定,采用恒温的切削液对工件进行淋浴。机床的空心母丝杠则通入恒温油以保证加工精度的稳定。(3)均衡温度。均衡机床各部分温度、减小温差,是降低工艺系统热变形的又一个办法。图521所示为在平面磨床上,采用热空气加热温升较低的立柱后壁,以均衡立柱前后壁的温度,这样可以显著降低立柱的弯曲变形。图521用热空气均衡立柱前后壁的温度 M7150A平面磨床:利用带有余热的回油流经床身下部,使床身
34、下部温度升高,借以补偿床身上部导轨的摩擦热,减小上下温差。回油用油泵强制循环。采用这一措施后,床身上下温差仅有12,导轨中凹量由未采取措施前的0.265mm下降至0.05mm。(4)控制温度变化。在热的影响中,比较棘手的问题在于温度变化不定。若能保持温度稳定,即使热变形产生了加工误差,也容易设法补偿。对于环境温度的变化,一般是将精密设备(如螺纹磨床、齿轮磨床、座标镗床等)安置在恒温房内工作。恒温的精度一般取1,精度高的取0.5。精加工前先让机床空转一段时间,待机床达到或接近热平衡后,然后加工。这也是解决温度变化不定,保证加工精度的一项措施。(5)采取补偿措施。当热变形不可避免时,可采用补偿措施
35、以消除其对加工精度的影响。例如精磨床身导轨时,导轨因热变形,中部被磨去较多金属,冷却后中部下凹,如图519所示。为了减小此种变形的影响,可采取使床身向相反方向预先变形进行补偿的办法，例如磨前用螺钉压板将工件压成中凹,或在前道工序预先将工件加工成中凹,加工时中部只能磨去较少金属,使热变形造成的误差得到补偿。又如,为了解决MB7650双端面磨床主轴热伸长的问题,采用了如图522所示的补偿机构,即在轴承与壳体间增设一个过渡套筒,此套筒与壳体仅在前端接触而后端不接触。当主轴因发热而向前伸长时,套筒则向后伸长,并使整个主轴也向后移动,自动补偿了主轴向前伸长,消除了主轴热变形对加工精度的影响。图522双端
36、面磨床主轴的热补偿 5.1.55.1.5工件内应力引起的变形工件内应力引起的变形1.1.内应力的概念和影响内应力的概念和影响(1)在常温下,零件处于某种相对稳定状态,外表看不出明显变化,但实际上零件却在缓慢而不明显地不断变形,直到内应力消失为止。例如刮研具有内应力的平板,已经刮得很平的表面,隔一段时间检查,表面又有了翘曲;一些零件加工后存放一段时间会出现变形。这说明具有残余应力的零件,其尺寸、形状的稳定性差,时间长了会丧失原有的加工精度。若将这种零件装入机器,由于使用中产生变形,可能会破坏整台机器的质量。(2)在零件受力、受热、受振动或破坏其原有结构时,其相对平衡和稳定的状态被破坏,内应力将重
37、新分布,以求达到新的相对平衡。在内应力重新分布的过程中,零件将产生相应的变形,有时甚至是急剧的变形。2.2.产生内应力的原因产生内应力的原因残余应力是由于金属内部相邻的宏观或微观组织发生不均匀的体积变化引起的。这种变化来源于热加工,也来源于冷加工。(1)毛坯制造过程中产生的内应力。在铸、锻、热轧、焊接等毛坯热加工过程中,由于毛坯各部分厚度不均匀,冷却速度和收缩程度不一致,因而各部分互相牵制,使毛坯内部产生了较大的残余应力。图523(a)所示为一壁厚不均匀的铸件毛坯。在浇铸后冷却时,由于壁1和壁2比较薄,容易散热,故冷却较快。壁3比较厚,冷却较慢。当壁1、壁2从塑性状态冷却到弹性状态时(约620
38、左右),壁3也冷却到弹性状态时,壁1、壁2的温度已下降很多而接近于室温,固态收缩基本结束,因而将阻碍壁3进一步的固态收缩。结果使壁3受到拉应力,壁1、壁2受到压应力,相互间可取得暂时的平衡。如果在铸件的壁1上开个口(见图523(b),则壁1上的压应力消失。铸件在壁3和壁2的残余应力作用下,壁3收缩,壁2伸长,铸件产生弯曲变形,直到内应力达到新的平衡状态为止。图523铸件残余应力的形成及铸件变形 图524床身因残余应力引起的变形(2)热处理产生的内应力。热处理过程中,当工件冷却时,各部分的冷却速度和收缩不一致,于是在工件内部造成残余应力(称热应力)。而当金属的金相组织发生转变时(如奥氏体转变为马
39、氏体),体积要膨胀,但各部分在转变时间上不一致,因而膨胀量也不一致,这也会造成工件的内应力(称为组织应力)。(3)机械加工产生的内应力。切削加工时,工件表层在切削力和切削热的作用下,由于各部分塑性变形程度不同,以及金相组织变化的作用,也将产生内应力。工件在刀具刃口圆角的挤压下,表层组织产生塑性变形、晶格扭曲,金属密度下降(疏松),体积增大,但由于受基体金属的限制,于是表层产生压应力,靠近表层未变形的基体则产生拉应力。已加工表面还受刀具后面的摩擦而拉伸,也因受基体金属的限制,表层产生压应力,里层产生拉应力。其深度在精加工时为十分之几毫米,粗加工时可达1.52mm。切削热使工件表层受热膨胀,也由于
40、受里层金属限制而产生应力,若表层的压应力超过材料弹性极限,则温度降至常温后形成内应力。磨削加工中,有时表层的局部高温会引起金相组织转变,从而产生内应力。(4)冷校直带来的内应力。细长轴和丝杠等刚度差的工件,为了减少轴线弯曲,常在工艺过程中进行冷校直,见图525(a)。冷校后的工件,直线度误差减小了,但却产生了内应力。图525(b)所示工件在校直力F的作用下,轴线上部产生压应力,用“-”表示,轴线下部产生拉应力,用“”表示。中心区(虚线内)由于应力小,只产生弹性变形;外部层(虚线外)由于应力大于材料的弹性极限,产生塑性变形。当外力去除后,中心部分的弹性变形本来可以全部恢复原状,但受外部塑性变形层
41、的限制恢复不了,于是里外层相互牵制,形成了新的应力分布,如图525(c)所示。图525冷校直引起的内应力 3.3.减小和消除内应力的措施减小和消除内应力的措施对于精度要求较高或易于变形的零件,必须消除内应力,以稳定加工精度。具体措施有:(1)在铸、锻、焊毛坯制造后,采用时效或退火处理,消除毛坏制造时造成的内应力。(2)对于精度较高、形状较为复杂的零件,应将粗、精加工分开,这样可使粗加工后,内应力因结构变化而重新分布引起的变形,有充分时间表现出来,并被精加工修正,从而避免了内应力对零件精度的影响。对于不便划分粗、精加工阶段的大型工件,可在粗加工后,将夹紧在机床或夹具上的工件松开,使内应力自由地重
42、新分布、充分变形,然后再轻夹或轻压好工件进行精加工。(3)对于精密零件,单靠粗、精加工分开还不足以彻底消除内应力的影响,通常还必须在粗加工至精加工之间进行多次时效处理,以消除各阶段切削加工造成的内应力。将铸件喷丸或放在滚筒内清砂,在它们相互撞击的过程中,也可达到消除内应力的目的。(4)精密零件在加工过程中严禁冷校直,改用加热校直。5.1.65.1.6提高加工精度的措施提高加工精度的措施减少加工误差的措施大致可归纳为以下六个方面:1.1.直接减少原始误差法直接减少原始误差法即在查明影响加工精度的主要原始误差因素之后,设法对其直接进行消除或减少。例如车削细长轴时,采用跟刀架、中心架可消除或减少工件
43、变形所引起的加工误差。采用大进给量反向切削法,基本上消除了轴向切削力引起的弯曲变形。若辅以弹簧顶尖,可进一步消除热变形所引起的加工误差。又如在加工薄壁套筒内孔时,采用过度圆环以使夹紧力均匀分布,避免夹紧变形所引起的加工误差。2.2.误差补偿法误差补偿法误差补偿法是人为地制造一种误差,去抵消工艺系统固有的原始误差,或者利用一种原始误差去抵消另一种原始误差,从而达到提高加工精度的目的。例如用预加载荷法精加工磨床床身导轨,借以补偿装配后受部件自重而引起的变形。磨床床身是一个狭长的结构,刚度较差,在加工时,导轨三项精度虽然都能达到,但在装上进给机构、操纵机构等以后,便会使导轨产生变形而破坏了原来的精度
44、,采用预加载荷法可补偿这一误差。又如用校正机构提高丝杠车床传动链的精度。在精密螺纹加工中,机床传动链误差将直接反映到工件的螺距上,使精密丝杠加工精度受到一定的影响。为了满足精密丝杠加工的要求,采用螺纹加工校正装置以消除传动链造成的误差,如图526所示。图526螺纹加工校正装置 3.3.误差转移法误差转移法误差转移法的实质是转移工艺系统的累积误差、受力变形和热变形等。例如,磨削主轴锥孔时,锥孔和轴径的同轴度不是靠机床主轴回转精度来保证的,而是靠夹具保证,当机床主轴与工件采用浮动连接以后,机床主轴的原始误差就不再影响加工精度,而转移到由夹具来保证加工精度。外圆磨削工件时,利用死顶尖定心和鸡心夹头传
45、递转矩和工件旋转运动,目的也是在于使磨床主轴的径向误差不会传递给工件。在箱体的孔系加工中,在镗床上用镗模镗削孔系时,孔系的位置精度和孔距间的尺寸精度都依靠镗模和镗杆的精度来保证。镗杆与主轴之间为浮动连接,故机床的精度与加工无关,这样就可以利用普通精度和生产率较高的组合机床来精镗孔系。由此可见,往往在机床精度达不到零件的加工要求时,通过误差转移的方法,能够用一般精度的机床加工高精度的零件。4.4.误差分组法误差分组法在加工中,由于工序毛坯误差的存在,造成了本工序的加工误差。毛坯误差的变化,对本工序的影响主要有两种情况:复映误差和定位误差。如果上述误差太大,不能保证加工精度,而且要提高毛坯精度或上
46、一道工序加工精度是不经济的。这时可采用误差分组法,即把毛坯或上工序尺寸按误差大小分为n组,每组毛坯的误差就缩小为原来的1n,然后按各组分别调整刀具与工件的相对位置或调整定位元件,就可大大地缩小整批工件的尺寸分散范围。例如,某厂加工齿轮磨床上的交换齿轮时,为了达到齿圈径向跳动的精度要求,将交换齿轮的内孔尺寸分成三组,并用与之尺寸相对应的三组定位心轴进行加工。其分组尺寸见表51。表表51交换齿轮内孔尺寸分组交换齿轮内孔尺寸分组 组别 心轴直径011.0002.025 工件孔径013.0025 配合精度 1 25.002 25.00025.004 0.002 2 25.006 25.00425.00
47、8 0.002 3 25.011 25.00825.013 0.0020.003 5.5.就地加工法就地加工法在加工和装配中,有些精度问题牵涉到很多零部件间的相互关系,相当复杂。如果单纯地提高零件精度来满足设计要求,这不仅困难,有时甚至不可能达到。此时,若采用就地加工法,就可解决这种难题,将各环节的累积误差一次性消除。例如,在转塔车床制造中,转塔上六个安装刀具的孔,其轴心线必须保证与机床主轴旋转中心线重合,而六个平面又必须与旋转中心线垂直。如果单独加工转塔上的这些孔和平面,装配时要达到上述要求是困难的,因为其中包含了很复杂的尺寸链关系,因而在实际生产中采用了就地加工法。即在装配之前,这些重要表
48、面不进行精加工,等转塔装配到机床上以后,再在自身机床上对这些孔和平面进行精加工。具体方法是在机床主轴上装上镗刀杆和能做径向进给的小刀架,对这些表面进行精加工便能达到所需要的精度。6.6.误差平均法误差平均法误差平均法是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正,或者利用互为基准进行加工,以达到很高的加工精度。如配合精度要求很高的轴和孔,常用对研的方法来达到。所谓对研,就是配偶件的轴和孔互为研具相对研磨。在研磨前有一定的研磨量,其本身的尺寸精度要求不高。在研磨过程中,配合表面相对研擦和磨损的过程,就是两者的误差相互比较和相互修正的过程。又如三块一组的标准平板,是利用相互对研、配刮的方法加工出来
49、的，这是因为三个表面能够分别两两密合,只有在都是精确平面的条件下才有可能。另外还有直尺、角度规、多棱体、标准丝杠等高精度量具和工具,都是利用误差平均法制造出来的。5.2机械加工表面质量机械加工表面质量 5.2.15.2.1表面质量内涵及其对零件使用性能的影响表面质量内涵及其对零件使用性能的影响1.1.机械加工表面质量的含义机械加工表面质量的含义表面质量的含义有以下两方面的内容:(1)表面层的几何形状特征,包括：表面粗糙度。即表面的微观几何形状误差。评定的参数主要有轮廓算术平均偏差Ra或轮廓微观不平度十点平均高度Rz。波度。它是介于宏观几何形状误差与表面粗糙度之间的周期性几何形状误差,如图527
50、所示。其主要产生于振动,应作为工艺缺陷设法消除。图527表面粗糙度和波度(2)表面层物理力学性能的变化。表面层物理力学性能主要指下面三个方面的内容:表面层的加工硬化。表面层金相组织的变化。表面层残余应力。2.2.表面质量对零件使用性能的影响表面质量对零件使用性能的影响(1)表面质量对零件耐磨性的影响。零件的耐磨性是一项很重要的性能指标。当零件的材料、润滑条件和加工精度决定之后,表面质量对耐磨性起着关键的作用。因加工后的零件表面存在着凸起的轮廓峰和凹下的轮廓谷,两配合面或结合面的实际接触面积总比理想接触面积小,实际上只是在一些凸峰顶部接触。这样,当零件受力的作用时,凸峰部分的应力很大。零件的表面
